الملياردير الملياردير

الذرة هي جزء من مليار من النانو، وهو في حد ذاته جزء من مليار. وتمكن فريق نمساوي من قياس الوقت برتبة أتوثانية، بينما تمكن فريق أمريكي من قياس وزن أقل من أتوجرام واحد. وعندما تكون هناك تطبيقات لذلك فإننا سننتقل من عصر تكنولوجيا النانو إلى عصر تكنولوجيا السيارات

أوريل بريزون، هآرتس

الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/attosec230304.html

كثر الحديث في السنوات الأخيرة عن تكنولوجيا النانو والمزايا الكامنة في الأحجام الأصغر بمليار مرة من تلك التي نعرفها يوميًا. حسنًا، يجب أن تعتاد على مصطلح جديد: التكنولوجيا التلقائية. آتو هو الجزء من المليار من النانو. على سبيل المثال، إذا كانت النانو ثانية تساوي جزءًا من المليار من الثانية، فإن الأتو ثانية تساوي جزءًا من المليار من النانو ثانية. وبالتالي فإن البطيء هو نانو النانو.

نجح علماء نمساويون لأول مرة في قياس فترات زمنية بترتيب الأتو ثانية. تمثل التجربة تقدمًا في التكنولوجيا، والتي يمكن استخدامها لبناء ساعات ذرية مستقبلية بدقة أكبر بكثير مما هو ممكن حاليًا. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، تمكن العلماء من قياس وزن أصغر من جرام واحد. وتم إجراء القياس بواسطة جهاز يمكن استخدامه مستقبلاً للتمييز بين سلالات الفيروسات المختلفة حسب وزنها.

النانو ثانية هي فترة زمنية قصيرة جدًا لدرجة أننا لا نستطيع تخيلها. ويتحرك شعاع الضوء بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية، وهو قادر على الدوران حول الأرض أكثر من سبع مرات في الثانية الواحدة. للمقارنة، خلال النانو ثانية، سيتحرك شعاع الضوء ثلاثين سنتيمترا فقط. وفي الثانية، وهي أقصر بمليار مرة، سيمر شعاع الضوء عبر قطر بضع ذرات فقط في الثانية. لمحاولة فهم مدى صغر حجم الأتوجرام، يمكنك التفكير في القياس التالي: إذا كان الأتوجرام الواحد عبارة عن متر مكعب من الماء، فإن جرامًا واحدًا سيكون مساويًا لجميع المحيطات وجميع البحار على الأرض.

أجرى فريق بحثي من جامعة فيينا للتكنولوجيا بقيادة الدكتور فرانك كراوس تجربة بهدف فحص مسارات الإلكترونات حول نواة الذرة. في التجربة، تم استخدام نبضات موقوتة من الضوء فوق البنفسجي لإحداث تشتت الإلكترونات. قامت مجموعة من أجهزة الاستشعار الحساسة بقياس زخم الإلكترونات، التي كانت متناثرة تحت تأثير الضوء. وبما أن الزخم هو حاصل ضرب السرعة والكتلة، وأن كتلة جميع الإلكترونات متساوية، فقد كان من الممكن حساب السرعات المختلفة للإلكترونات الفردية.

حققت التجربة هدفها ومكنت من فحص مدارات الإلكترون؛ ولكن كنتيجة ثانوية، سجلت التجربة أيضًا رقمًا قياسيًا جديدًا في دقة قياس الوقت: تم حساب بيانات الإلكترونات بدقة تبلغ مائة أتو ثانية. ونشرت تفاصيل التجربة قبل بضعة أسابيع في مقال بمجلة "الطبيعة". وفي مقابلة على موقع المجلة، ذكر الدكتور كراوس أن فريقه يعمل الآن على تحسين الطريقة ومحاولة قياس الأحداث في فترات زمنية لا تزيد عن عشرة أتو ثانية. بالإضافة إلى التطبيقات الممكنة في قياس الوقت، لاحظ الباحثون أن القدرة على فحص تصرفات الإلكترونات في فترات زمنية تبلغ الأتو ثانية قد تؤدي إلى فهم أفضل لظاهرة الموصلية الفائقة (مقاومة التيار صفر).

ومن المثير للاهتمام أنه تم كسر حد "eto" في مجال مختلف تمامًا في نفس الوقت تقريبًا. قام فريق من العلماء من جامعة كورنيل في الولايات المتحدة الأمريكية، بقيادة الدكتور هارولد كريغهيد، ببناء جهاز مجهري يعمل بمثابة المقاييس. يتيح الجهاز قياس الأوزان الأقل من جرام واحد. استخدم العلماء أساليب إنتاج مشابهة لتلك المستخدمة في صناعة الكمبيوتر. وباستخدام أشعة الإلكترون، تم تشكيل ذراع ضيقة من بلورات السيليكون. على غرار المقاييس العادية، يتم إجراء القياس عن طريق وضع الجسم المقاس في نهاية الذراع. يقيس شعاع الليزر التغير في حركة الذراع ويسمح بحساب الوزن الموضوع في النهاية. وفي الاختبارات التي أجريت للمنشأة، تم قياس وزن فتات الذهب بدقة كبيرة - 39 جزءًا من مائة من الأتوجرام (حوالي عشرة آلاف ذرة من الذهب وحده). ستمكن المنشأة من قياس وزن الأجسام المجهرية مثل الفيروسات. إن القدرة على قياس وزن مثل هذه الأجسام البيولوجية الصغيرة ستسمح بتصنيف وتحديد هوية أفضل من ذي قبل. وستظهر تفاصيل التجربة قريبا في "مجلة الفيزياء التطبيقية".

ووفقا لميكانيكا الكم، وهي النظرية الفيزيائية التي تصف سلوك الجسيمات الصغيرة، فإنه من غير الممكن قياس أحجام معينة بدقة دون الإضرار بدقة قياس الأحجام الأخرى. تسمى هذه الأزواج "بالكميات المتجاورة" (على سبيل المثال، الزخم والموضع والطاقة والوقت). يُعرف هذا المبدأ بمبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، نسبةً إلى العالم الألماني الذي صاغه عام 1927. هذا المبدأ غير بديهي، لكنه ينبع مباشرة من معادلات ميكانيكا الكم، التي، على عكس الفيزياء الكلاسيكية، لا تعتمد على الكميات المطلقة ولكن على التوزيعات الإحصائية.

بسبب مبدأ عدم اليقين، هناك صعوبات خاصة في قياس الأحجام الصغيرة جدًا. وتشكل مثل هذه القياسات الدقيقة تحديًا في حد ذاتها، ولكن حقيقة أن الشكوك حول الأحجام المتجاورة يجب أن تؤخذ في الاعتبار في كل تجربة تزيد من الصعوبات الإضافية. كلما كان الحجم المقاس أصغر، كلما كانت هناك حاجة إلى طرق أكثر تعقيدًا لإجراء القياس. تمكنت المجموعة النمساوية من الوصول إلى النتائج الدقيقة من خلال التنسيق الدقيق لأشعة الضوء التي تشتت الإلكترونات وأجهزة الاستشعار؛ وتوصلت المجموعة الأمريكية إلى الدقة المطلوبة من خلال تقليل ذراع القياس للجهاز قدر الإمكان واستخدام الليزر لقياس تقلباته.

تعد القدرة على التحكم في الأحجام الصغيرة أمرًا ضروريًا للتكنولوجيا المتقدمة. ففي أنظمة الكمبيوتر، على سبيل المثال، يتم ضغط ملايين المكونات في شريحة السيليكون بفضل حجمها الصغير. لكي تعمل أجهزة الكمبيوتر بكفاءة، يجب أن تقوم بعمليات حسابية في فترات زمنية قصيرة جدًا. على سبيل المثال: يقوم جهاز كمبيوتر مزود بمعالج يعمل بمعدل جيجاهيرتز واحد بإجراء عملية كل نانو ثانية. الوقت اللازم للمعالج لاسترداد قطعة واحدة من البيانات من الذاكرة هو حوالي أربعين نانو ثانية. في هذه المرحلة، ليس من الممكن بناء أجهزة كمبيوتر تعمل بسرعة الأتو ثانية، ولكن حقيقة أن مثل هذه الفترات الزمنية تم قياسها في المختبر تشكل إنجازا كبيرا وربما إشارة إلى تقنيات المستقبل.

تعتبر الدراسات التي أجرتها المجموعتان النمساوية والأمريكية أولية، ومن المحتمل أن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل تطوير تطبيقات مفيدة لتكنولوجيا السيارات. ولكن القدرة على التعامل مع هذه الأحجام قد تم إثباتها عمليًا وأصبح الباب أمام التطبيقات المستقبلية مفتوحًا.

مع نشر التجربة، صرح الدكتور كريجهيد أنه يعتقد أن فريقه سيكون قادرًا على تحسين المنشأة التي تم تطويرها وقريبًا قياس أوزان صغيرة تصل إلى جزء من الألف من الرسم البياني. وفقًا لنظام الترقيم العلمي، فإن نصف هاتو هو زيبتو، لكن لا يوجد ما يمكن الحديث عنه حول تقنية زيبتو حتى الآن.

خبير فيزياء
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~795567124~~~57&SiteName=hayadan